基于云桌面的實(shí)驗(yàn)室虛擬化管理與應(yīng)用

焦文歡，馮興杰

基于云桌面的實(shí)驗(yàn)室虛擬化管理與應(yīng)用

焦文歡，馮興杰

（中國(guó)民航大學(xué) 信息網(wǎng)絡(luò)中心，天津 300300）

該文針對(duì)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和管理過程中面臨的問題，結(jié)合學(xué)校現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境和教學(xué)模式，設(shè)計(jì)了一套完整的實(shí)驗(yàn)室云桌面虛擬化管理平臺(tái)。通過實(shí)際部署和在線監(jiān)控，進(jìn)一步驗(yàn)證云桌面平臺(tái)不僅提供個(gè)性化桌面服務(wù)，實(shí)現(xiàn)資源統(tǒng)一管理，而且可以增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性，提高教學(xué)管理水平，具有較高的實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用價(jià)值。

云桌面；Hyper-V；虛擬化；實(shí)驗(yàn)室管理

當(dāng)前，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，高校資源集中信息化管理成為教育信息化的重要組成部分，這不僅是實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和運(yùn)維必須重視的內(nèi)容，也是智慧校園建設(shè)的基礎(chǔ)保障工程[1-2]。虛擬化技術(shù)作為一種成熟的熱門技術(shù)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，且大量可應(yīng)用于高校資源虛擬化管理的產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生，如何根據(jù)高校實(shí)驗(yàn)室自身的建設(shè)和管理需求選擇合適的虛擬化平臺(tái)顯得尤為重要[3]。通過虛擬化技術(shù)和虛擬化管理理念的引入，結(jié)合新的教學(xué)模式和教學(xué)資源，不僅可以更好地滿足培養(yǎng)高校創(chuàng)新型人才的辦學(xué)需求，還能提高高校辦學(xué)水平和辦學(xué)質(zhì)量[4]。

由于以單個(gè)的或者分散的計(jì)算機(jī)為教學(xué)媒介的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室存在部署成本高、資源難于共享、系統(tǒng)更新不及時(shí)等問題，已經(jīng)無(wú)法滿足新時(shí)代高校教學(xué)模式的需要。對(duì)分散的數(shù)字化資源進(jìn)行整合和多場(chǎng)景的教學(xué)環(huán)境進(jìn)行混合，搭建實(shí)驗(yàn)室統(tǒng)一管理的虛擬化教學(xué) 環(huán)境，是發(fā)展高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和創(chuàng)新教學(xué)模式的必要過程。

1 相關(guān)技術(shù)

我校以打造新一代智慧校園為遠(yuǎn)景目標(biāo)進(jìn)行校級(jí)整體教育信息化建設(shè)，在實(shí)驗(yàn)室教學(xué)中采用虛擬化、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)打造更加先進(jìn)的教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)的環(huán)境，通過云桌面虛擬化平臺(tái)為實(shí)驗(yàn)室學(xué)生提供統(tǒng)一、開放、共享的學(xué)習(xí)資源[5]。

VDI（virtual desktop infrastructure），虛擬桌面基礎(chǔ)架構(gòu)，也稱集中運(yùn)算式架構(gòu)，是目前應(yīng)用較多的主流云桌面虛擬化技術(shù)[6]。VDI模式下的虛擬桌面技術(shù)把所有的客戶端運(yùn)算都集中起來(lái)，由服務(wù)器提供用戶所需的數(shù)據(jù)及軟件、運(yùn)算等資源，用戶實(shí)際獲取的是服務(wù)器上某個(gè)虛擬機(jī)的遠(yuǎn)程桌面操作系統(tǒng)環(huán)境[7]。VMware、Microsoft、Oracle、Citrix、華為等國(guó)內(nèi)外廠商積極發(fā)布了成熟的桌面虛擬化產(chǎn)品或者以開源虛擬化技術(shù)為基礎(chǔ)的產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)相關(guān)專家學(xué)者也對(duì)云桌面技術(shù)做了大量研究[8-10]，積極探索高校實(shí)驗(yàn)室虛擬化管理的實(shí)施方案[11-12]。

本文通過分析學(xué)校當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和管理過程中面臨的問題，緊密結(jié)合實(shí)驗(yàn)室實(shí)際應(yīng)用需求，重點(diǎn)研究云桌面虛擬化技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室管理中的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程，從訪問控制、資源共享、數(shù)據(jù)安全、運(yùn)行維護(hù)、部署成本等方面做深入分析，設(shè)計(jì)了一套完整的實(shí)驗(yàn)室云桌面虛擬化管理平臺(tái)，并通過實(shí)際部署和在線監(jiān)控驗(yàn)證了平臺(tái)的應(yīng)用價(jià)值。

2 云桌面設(shè)計(jì)方案和部署

2.1 云桌面設(shè)計(jì)目標(biāo)

學(xué)校采用 Microsoft RDS虛擬桌面技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行集中改進(jìn)與管理，前期按照800用戶總規(guī)模、500并發(fā)用戶進(jìn)行設(shè)計(jì)。虛擬桌面用戶資源配置為：4G內(nèi)存，2vCPU，50 GB系統(tǒng)空間，10 GB用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。后續(xù)逐步進(jìn)行資源擴(kuò)充，在管理設(shè)計(jì)架構(gòu)不變的情況下，最終實(shí)現(xiàn)滿足5000人使用規(guī)模的需求。平臺(tái)建成后，將實(shí)現(xiàn)整個(gè)實(shí)驗(yàn)室終端的統(tǒng)一管理，本地終端將只用于連接使用，計(jì)算任務(wù)轉(zhuǎn)移到云桌面進(jìn)行，可以有效提升本地終端的使用期限，從而實(shí)現(xiàn)TCO（total cost of ownership）的降低。同時(shí)，集中式的后端云桌面數(shù)據(jù)中心更有利于整體架構(gòu)的升級(jí)、更新和維護(hù)，滿足學(xué)校信息安全、提高學(xué)生積極性與創(chuàng)造性的需求。

2.2 云桌面部署方案架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于云桌面的實(shí)驗(yàn)室架構(gòu)設(shè)計(jì)圖見圖1。云桌面總架構(gòu)包括4個(gè)層次模塊：網(wǎng)絡(luò)接入層、應(yīng)用交付層、虛擬化資源層、核心應(yīng)用層。

網(wǎng)絡(luò)接入層：用戶通過接入層組件RDWeb界面登錄云桌面平臺(tái)，使用SSL加密傳輸?shù)姆绞脚c數(shù)據(jù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，包括云桌面的分配、虛擬應(yīng)用的訪問、個(gè)人數(shù)據(jù)和配置文件的存儲(chǔ)等；同時(shí)，采用安全策略進(jìn)行用戶權(quán)限分組設(shè)置，保障不同權(quán)限的用戶具有個(gè)性化的云桌面集合登錄權(quán)限。

應(yīng)用交付層：主要為用戶提供云桌面和虛擬應(yīng)用服務(wù)。應(yīng)用交付層將虛擬化資源以云桌面和虛擬應(yīng)用的方式向用戶展現(xiàn)，用戶的所有計(jì)算操作都在此層進(jìn)行；同時(shí)，負(fù)責(zé)將用戶的個(gè)人數(shù)據(jù)和配置數(shù)據(jù)傳輸給虛擬化資源層，并將執(zhí)行結(jié)果反饋給當(dāng)前用戶，既保證用戶數(shù)據(jù)的安全性，也可以提高數(shù)據(jù)中心資源利 用率。

圖1 實(shí)驗(yàn)室云桌面架構(gòu)設(shè)計(jì)

虛擬化資源層：虛擬化資源層使用服務(wù)器虛擬化、存儲(chǔ)虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化等技術(shù)，統(tǒng)一集約化地提供各種云桌面應(yīng)用所需要的服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)等硬件資源，同時(shí)對(duì)各種虛擬桌面、云應(yīng)用、資源等提供一體化管理平臺(tái)。此外，虛擬化層還提供整體構(gòu)架所需要的其他一些公共基礎(chǔ)服務(wù)與架構(gòu)管理服務(wù)組件。

核心應(yīng)用層：此層為學(xué)校現(xiàn)有各項(xiàng)管理類系統(tǒng)、教學(xué)類系統(tǒng)的承載平臺(tái)，如校園門戶、校園一卡通、郵件等，所有業(yè)務(wù)系統(tǒng)既可以運(yùn)行在獨(dú)立的虛擬化平臺(tái)上，也可以將這些業(yè)務(wù)系統(tǒng)遷移到云桌面虛擬化平臺(tái)上運(yùn)行，以提高服務(wù)器利用率。

2.3 云桌面部署

云桌面部署主要包括5個(gè)模塊：硬件部署、網(wǎng)絡(luò)部署、存儲(chǔ)部署、系統(tǒng)部署和組件部署。部署結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.3.1 硬件部署

整個(gè)平臺(tái)使用2個(gè)H3C UIS刀箱，每個(gè)刀箱16臺(tái)H3C UIS服務(wù)器，共計(jì)32臺(tái)服務(wù)器。創(chuàng)建3個(gè)Hyper-V集群作為底層虛擬化支撐平臺(tái)，包括一個(gè)基礎(chǔ)架構(gòu)集群和2個(gè)虛擬桌面承載集群。

基礎(chǔ)架構(gòu)集群服務(wù)器由2臺(tái)配置2路2.0 Ghz CPU、256 G內(nèi)存、1塊雙口20 G融合網(wǎng)卡的H3C刀片組成，為Microsoft RDS基礎(chǔ)架構(gòu)服務(wù)器提供計(jì)算環(huán)境，運(yùn)行的基礎(chǔ)架構(gòu)包含ActiveDirectory（活動(dòng)目錄）、RD Connection Broker（控制器）、RD Web（權(quán)限訪問）、RD License（授權(quán)）、RD Gateway（網(wǎng)關(guān)）、文件服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器等虛擬機(jī)服務(wù)器；虛擬桌面承載集群服務(wù)器由30臺(tái)配置了2路2.0Ghz CPU、256 G內(nèi)存、1塊雙口20 G融合網(wǎng)卡的H3C刀片組成，承載800用戶總規(guī)模的虛擬桌面池。

圖2 實(shí)驗(yàn)室云桌面部署結(jié)構(gòu)

硬件刀片服務(wù)器集群分配如表1所示。

表1 刀片服務(wù)器集群分配表

2.3.2 網(wǎng)絡(luò)部署

網(wǎng)絡(luò)部署采用三網(wǎng)分離的原則，即“管理網(wǎng)”“業(yè)務(wù)網(wǎng)”“存儲(chǔ)網(wǎng)”三網(wǎng)分離，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)均使用雙上聯(lián)，分別連接到對(duì)應(yīng)的交換機(jī)上。每個(gè)刀片服務(wù)器擁有2個(gè)20GBE的融合虛擬端口，其通過刀箱內(nèi)部的背板交換機(jī)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，對(duì)外的通信通過刀箱交換機(jī)完成。因此將每個(gè)刀片服務(wù)器的2個(gè)20GBE融合端口虛擬出4個(gè)普通10GB端口映射給刀片服務(wù)器操作系統(tǒng)。

2臺(tái)基礎(chǔ)架構(gòu)服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)部署為：（每臺(tái)服務(wù)器網(wǎng)口：4個(gè)萬(wàn)兆以太網(wǎng)口、2個(gè)FC接口）：

管理網(wǎng)：2個(gè)萬(wàn)兆以太網(wǎng)口；承載Hyper-V管理流量以及執(zhí)行虛擬機(jī)實(shí)時(shí)遷移時(shí)的流量。

業(yè)務(wù)網(wǎng)：2個(gè)萬(wàn)兆以太網(wǎng)口；承載基礎(chǔ)架構(gòu)虛擬機(jī)對(duì)外通信及提供服務(wù)的端口。

存儲(chǔ)網(wǎng)：2個(gè)FC接口；掛載宏衫FC存儲(chǔ)，承載基礎(chǔ)架構(gòu)服務(wù)器運(yùn)行所需要的資源及存儲(chǔ)空間。

30臺(tái)桌面承載服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)部署為：（每服務(wù)器網(wǎng)口：4個(gè)萬(wàn)兆以太網(wǎng)口、2個(gè)FC接口）：

管理網(wǎng)：2個(gè)萬(wàn)兆以太網(wǎng)口；承載Hyper-V管理流量以及執(zhí)行虛擬機(jī)實(shí)時(shí)遷移時(shí)的流量。

業(yè)務(wù)網(wǎng)：2個(gè)萬(wàn)兆以太網(wǎng)口；承載虛擬桌面、虛擬應(yīng)用對(duì)外通信及提供服務(wù)的端口，以及用戶訪問個(gè)人磁盤的數(shù)據(jù)接口。

存儲(chǔ)網(wǎng)：2個(gè)FC接口；掛載宏衫FC存儲(chǔ)，承載800個(gè)虛擬桌面和用戶個(gè)人數(shù)據(jù)。

2.3.3 存儲(chǔ)部署

存儲(chǔ)系統(tǒng)采用統(tǒng)一集中式存儲(chǔ)部署，即系統(tǒng)數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)存放在同一存儲(chǔ)上。系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過FC接口接入，以FC-SAN形式存儲(chǔ)；用戶數(shù)據(jù)通過萬(wàn)兆以太網(wǎng)接口接入，通過文件服務(wù)器形式存儲(chǔ)。

FC-SAN存儲(chǔ)：由宏衫MS存儲(chǔ)、雙控總計(jì)448GB緩存、配置16塊960GSSD硬盤、64塊6TB機(jī)械SAS盤組成，使用FC接入存儲(chǔ)網(wǎng)，為基礎(chǔ)架構(gòu)、虛擬桌面和虛擬應(yīng)用提供系統(tǒng)運(yùn)行和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)。

文件存儲(chǔ)：為了使用戶在云桌面模式能夠保留個(gè)性化配置與個(gè)人數(shù)據(jù)，采用配置文件、用戶個(gè)人數(shù)據(jù)文件與操作系統(tǒng)磁盤分離的方式。使用兩臺(tái)文件服務(wù)器虛擬機(jī)組成文件服務(wù)器群集，為所有用戶提供文件存儲(chǔ)服務(wù)，配置文件、個(gè)人數(shù)據(jù)文件集中存放在文件服務(wù)器中，并通過CIFS（通用Internet文件系統(tǒng)）網(wǎng)絡(luò)共享方式訪問。

2.3.4 組件部署

組件安裝包括兩部分：基礎(chǔ)平臺(tái)組件和虛擬桌面組件。

（1）基礎(chǔ)平臺(tái)組件

Hyper-V服務(wù)器虛擬化：使用虛擬化技術(shù)使一臺(tái)物理服務(wù)器可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)虛擬操作系統(tǒng)。

ActiveDirectory活動(dòng)目錄：微軟統(tǒng)一認(rèn)證管理平臺(tái)，用于用戶、計(jì)算機(jī)的集中管理、統(tǒng)一身份認(rèn)證等。

DHCP服務(wù)器：動(dòng)態(tài)IP地址分配協(xié)議，用于以自動(dòng)方式為所有虛擬機(jī)分配IP地址。

CA服務(wù)器：證書頒發(fā)機(jī)構(gòu)，用于為整個(gè)云桌面平臺(tái)頒發(fā)證書。

文件服務(wù)器：用于存儲(chǔ)用戶個(gè)人文件、配置文件、SQL數(shù)據(jù)庫(kù)日常備份文件等。

（2）虛擬桌面組件

RD連接代理：用于提供虛擬桌面的部署、交付、管理等。

RDWeb訪問：用于提供用戶登錄云桌面的Web服務(wù)。

RDVH虛擬化主機(jī)：用于承載所有的虛擬桌面虛擬機(jī)。

RD網(wǎng)關(guān)：用于代理云桌面客戶端與后端虛擬桌面的流量。

RD授權(quán)：用于提供RDS虛擬桌面平臺(tái)的許可證頒發(fā)。

RD會(huì)話主機(jī)：用于提供會(huì)話式的共享虛擬桌面。

部署完成后的虛擬桌面組件如圖3所示。

圖3 虛擬桌面組件結(jié)構(gòu)圖

2.3.5 系統(tǒng)部署

基礎(chǔ)架構(gòu)與虛擬化主機(jī)服務(wù)器的操作系統(tǒng)部署為Windows Server 2016 Datacenter版，云桌面操作系統(tǒng)部署為Windows 7 SP1 64位企業(yè)版。虛擬服務(wù)器具體角色和功能描述見表2。

表2 虛擬服務(wù)器系統(tǒng)部署角色表

2.4 云桌面運(yùn)行與監(jiān)控

云桌面平臺(tái)部署完成后，通過RDWeb（桌面訪問服務(wù)器）IP地址或者DNS解析自定義域名，打開云桌面首頁(yè)登錄，輸入ActiveDirectory目錄中的用戶名和密碼，顯示實(shí)驗(yàn)室云桌面集合，點(diǎn)擊集合圖標(biāo)進(jìn)入云桌面。云桌面分配成功后，可以看到自定義系統(tǒng)桌面和已經(jīng)預(yù)裝的應(yīng)用軟件。

在實(shí)驗(yàn)室每臺(tái)終端上通過登錄云桌面平臺(tái)，都可以獲取一臺(tái)帶有預(yù)裝應(yīng)用軟件的操作系統(tǒng)，學(xué)生的所有操作和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)都在云平臺(tái)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行，不占用本地客戶端資源。通過集約統(tǒng)一式管理，不僅可以滿足定制專用操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件的需求，也可以實(shí)現(xiàn)資源共享和保障數(shù)據(jù)安全的目的。

通過第三方組件NetScaler監(jiān)控平臺(tái)，可以更方便監(jiān)控云桌面數(shù)據(jù)中心軟硬件使用和云桌面連接情況，數(shù)據(jù)中心流量監(jiān)控如圖4所示。

圖4 NetScaler監(jiān)控界面

通過流量監(jiān)控圖和網(wǎng)關(guān)監(jiān)測(cè)可以看出，在大約100臺(tái)云桌面同時(shí)在線正常使用的情況下，網(wǎng)絡(luò)帶 寬大約為300 M，CPU和內(nèi)存的利用率也保持在正常水平。

3 我校實(shí)驗(yàn)室云桌面虛擬化分析

從我校云桌面的實(shí)際應(yīng)用效果來(lái)看，VDI云桌面實(shí)現(xiàn)了用戶體驗(yàn)、數(shù)據(jù)管理、運(yùn)維管理的有效統(tǒng)一。云桌面平臺(tái)摒棄了軟硬件資源的架構(gòu)差異[13]，通過虛擬化技術(shù)最大化提高軟硬件資源的利用率，學(xué)生在無(wú)感知系統(tǒng)差異和資源轉(zhuǎn)移的情況下，不間斷高效率使用實(shí)驗(yàn)室資源；通過集中式軟件模板和存儲(chǔ)，學(xué)生無(wú)需進(jìn)行基本軟件的安裝和系統(tǒng)配置即可將實(shí)驗(yàn)和學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)端存儲(chǔ)，以供后期云平臺(tái)數(shù)據(jù)挖掘和學(xué)生實(shí)驗(yàn)分析的需要；統(tǒng)一配置、集中管理的方式，有效提高了運(yùn)維管理效率，降低了部署和維護(hù)成本，更安全、靈活地為學(xué)生提供資源共享和資源分配。

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Laboratory virtualization management and application based on cloud desktop

JIAO Wenhuan, FENG Xingjie

(Information Network Center, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China)

In view of the problems in the process of the laboratory construction and management, and in combination with the existing experimental teaching environment and teaching mode, this paper designs a complete laboratory virtualization management platform based on the cloud desktop. Through the actual deployment and online monitoring, it is further verified that the cloud desktop platform not only provides personalized desktop services and realizes the unified management of resources, but also enhances students’ learning initiative and improves the level of teaching management, which has high application value in experimental teaching.

cloud desktop; Hyper-V; virtualization; laboratory management

G482；TP393

A

1002-4956(2019)09-0250-04

2019-01-11

2019-07-11

中國(guó)民航大學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)創(chuàng)新基金項(xiàng)目（2018CXJJ29）

焦文歡（1987—），男，河南安陽(yáng)，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)樾畔踩⒅悄苄畔⑻幚砝碚撆c技術(shù)。

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10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.065